22.12.2015

Длинные плавники скатов — результат добавления новой точки роста

Длинные грудные плавники скатов — пример крайне специализированных парных конечностей у позвоночных. Они в числе прочего обеспечивают скатам образ жизни маневренного придонного пловца. У эмбрионов в зачатках этих необычных плавников работают те же классические организаторы развития, что и в зачатках парных конечностей у других позвоночных. Но вместе с тем у них обнаружилась дополнительная точка роста — второй организатор деления клеток эмбрионального плавника. В этом добавочном центре роста работают не новые варианты генов, а хорошо известные факторы роста конечностей. Получилось два аналогичных по морфологии и функции центров роста, но не гомологичных по своему генетическому обслуживанию. Какой из них древнее и работал у предка челюстноротых, ученые затрудняются ответить.

Становление конечностей у четвероногих от рыб до млекопитающих — вопрос для эволюционистов исключительно интересный. Помимо исследования крупных инноваций, необходимых для освоения суши, эволюция конечностей дает изумительный пример консервативных генетических каскадов. Для понимания основы основ эволюции конечностей важно разобраться, как эти консервативные каскады работают и видоизменяются, организуя построение конечностей разной морфологии и назначения. С учетом этих консервативных генетических элементов разрабатываются реконструкции эволюции многих тетраподных групп. Речь идет о регуляторных каскадах (см. Limb development), связанных с геном sonic hedgehog (shh).

Ген shh хорошо известен не только благодаря своему шутливому названию, но в основном из-за тех важнейших, основополагающих функций, которые он выполняет в организме любого животного. Исследование группы Нила Шубина из Чикагского университета касается одной из функций этого гена, а именно — передне-задней разметки конечностей, стимуляции их роста и образования пальцев. Shh экспрессируется в задней части зачатка конечности — так называемого апикального эктодермального гребня, см. Apical ectodermal ridge (см. также задачу Ноги в руки). Градиент продукта его экспрессии поддерживается за счет петли обратной связи между shh и фактором роста фибробластов (FGF); в зависимости от этого градиента включается экспрессия конкретных HOX-генов в зачатке конечности (см. рис. 3). Shh и соответствующая сигнальная цепочка «SHH — Фактор роста фибробластов (FGF) — HOX-гены» найдена у костистых рыб и всех тетрапод.

В предыдущих работах группы Нила Шубина было показано, что она имеется также и у всех хрящевых рыб. У них этот каскад экспрессируется в задней части апикального эктодермального гребня и регулирует рост парных плавников и птеригоподия — копулятивного органа самцов хрящевых рыб (см. R. Dahn et al., 2007. Sonic hedgehog function in chondrichthyan fins and the evolution of appendage patterning). Таким образом, было доказано, что сигнальный путь с центральным исполнителем shh имелся у общего предка всех челюстноротых и был задействован для организации парных органов движения.

Теперь группа Нила Шубина взялась за следующий, логически оправданный вопрос. Если сигнальные пути консервативны, то как происходит специализация конечностей. Естественно (и очевидно), что в большинстве случаев новшества являются результатом настройки консервативного сигнального каскада, добавления к нему новых сигнальных элементов. Размышляя в этом ключе, ученые разобрали пример крайней специализации конечностей, подтвердив возможность организации новых признаков за счет добавления новых регуляторных элементов. Но с другой стороны, они открыли и кое-что неожиданное.

Они работали с эмбрионами обыкновенного ската (Leucoraja erinacea), который служил им хорошей исследовательской моделью и в прошлых исследованиях. Он является представителем отряда Rajiformes, у которого грудные плавники протянуты от самой головы до хвоста. Столь длинных «передних конечностей» не встречается среди позвоночных. Иными словами, это пример крайней специализации. Как в данном случае сработал регуляторный каскад shh?

С помощью специфической окраски ученые выявили картину экспрессии различных генов в ходе эмбрионального развития грудных плавников. Грудные плавники отчетливее всего формируются с 29-й по 32-ю стадию развития (см. видео). Эмбрионов именно этих возрастов взяли для исследования, рассмотрев отдельно экспрессию генов в задней, средней и передней части зачатков плавников (рис. 1). Такое разделение на три части весьма разумно, потому что позволяет как следует рассмотреть градиент экспрессии разных регуляторных генов.

Оказалось, что многие регуляторные факторы, которые должны бы распределяться по градиенту от задней к передней части зачатка, распределены равномерно вдоль всего длинного зачатка грудного плавника. В том числе и фактор wnt, который в классическом случае вместе с FGF участвует в поддержании градиента регуляторов роста конечностей и стимулируют деление клеток. Чтобы понять, в чем причина, в аквариум с эмбрионами в определенный момент их развития добавили ингибитор wnt. В результате у эмбрионов в положенное время нормальный длинный плавник не развился (рис. 2). Вместо него получился короткий плавник, без передней ветви, идущей к голове. Также оказался укорочен и передний скелетный элемент плавника — протоптеригий. А задняя часть плавника развилась нормально.

Ученые сделали вывод, что задняя и передняя части длинного грудного плавника развиваются под командованием разных генетических штабов. Задним отделом командует классический штаб во главе с shh. А вот у переднего отдела оказывается новый командир — регулятор wnt. Тщательная расшифровка картины экспресии в переднем отделе дала примерный список участников этого командного штаба. Туда вошли регуляторы сигнального каскада Hox–Fgf7–Wnt3. Вместе они организуют добавочный апикальный эктодермальный гребень, где происходит активное деление клеток (рис. 3). Кстати и на гистологических срезах этот новый центр хорошо заметен: и старый и новый центр выглядят как два идетничных утолщения тканей. Но это сходство морфологическое и функциональное, с генетической стороны — это два негомологичных образования.

Интересно, что участники этого переднего сигнального каскада в действительности, хорошо известны. Они работают в основании зачатка передних конечностей у других тетрапод, там, где должно сформироваться плечо. И здесь, в передней части плавникового зачатка они тоже пришлись весьма кстати, пригодившись для построения части длинного плавника. Дальше в эволюционной истории эта команда использовала свои «профессиональные» навыки при организации базовых скелетных элементов передних конечностей.

Ученые задаются вопросом, какой же из этих генов — shh, wnt и его варианты — служил прообразом пускового организатора для построения конечностей. Возможно, что shh, тогда дополнительный апикальный эктодермальный гребень скатов — это весьма специализированное новшество, а его генетическая команда — это своего рода привлеченные для временной работы сотрудники. Но если изначальным организатором является wnt, то дополнительный апикальный гребень становится ременисценцией древнего предкового механизма, а классический shh накладывается на него при совершенствовании и стабилизации механизма формирования конечностей. Этот последний вариант ученые обсуждают в связи с обязательным присутствием вариантов wnt в зачатках конечностей у всех без исключения животных с парными конечностями. Но так или иначе, специализация грудных плавников организована с помощью нового центра роста. Это совершенно необычная для позвоночных ситуация. Для этого потребовалось мобилизовать и перекомбинировать уже имевшиеся регуляторные связки генов. Эволюцию всех этих регуляторных связок — какие из вариантов примитивные, а какие продвинутые — еще предстоит выяснить.

Источник: Tetsuya Nakamura, Jeff Klomp, Joyce Pieretti, Igor Schneider, Andrew R. Gehrke, and Neil H. Shubin. Molecular mechanisms underlying the exceptional adaptations of batoid fins // PNAS. 2015. Early Edition. Doi: 10.1073/pnas.1521818112.

Елена Наймарк

Источники:

1. elementy.ru